Tensione di Hubble: nuova misurazione del tasso di espansione dell’universo

Grazie ai dati di una supernova individuata con immagini multiple grazie alla lente gravitazionale, un team guidato dai ricercatori dell'Università del Minnesota Twin Cities ha utilizzato con successo una tecnica unica nel suo genere per misurare il tasso di espansione dell'universo, ottenendo un nuovo valore per la costante di Hubble

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Tensione di Hubble: nuova misurazione del tasso di espansione dell'universo
Tensione di Hubble: nuova misurazione del tasso di espansione dell'universo

Grazie ai dati di una supernova individuata con immagini multiple grazie alla lente gravitazionale, un team guidato dai ricercatori dell’Università del Minnesota Twin Cities ha utilizzato con successo una tecnica unica nel suo genere per misurare il tasso di espansione dell’universo, ottenendo un nuovo valore per la costante di Hubble.

I dati ottenuti dal team forniscono informazioni sul dibattito di lunga data sul tasso di erspansione dell’universo e potrebbero aiutare gli scienziati a determinare con maggiore precisione l’età dell’universo ed a comprendere meglio il cosmo.

Il lavoro è suddiviso in due articoli, pubblicati rispettivamente su Science e The Astrophysical Journal.

In astronomia sono stati fino ad oggi utilizzati due metodi per misurare il tasso di dell’espansione dell’universo, chiamato anche “costante di Hubble“. Uno dei metodi utilizza l’osservazione delle variabili cefeidi e delle supernove vicine, le cosiddette “candele standard” mentre il secondo utilizza il “fondo cosmico a microonde“, cioè la radiazione residua liberata poco dopo il Big Bang che permea tutto l’universo.

Il confronto tra questi due metodi di misurazione ha generato un problema, poiché i risultato ottenuti sono discordanti, infatti queste due misurazioni differiscono di circa il 10 percento, provocando un ampio dibattito tra fisici e astronomi: la cosiddetta “tensione di Hubble“. Se entrambe le misurazioni si dimostrasseo accurate, la conseguenza sarebbe che l’attuale teoria degli scienziati sulla composizione dell’universo deve essere incompleta.

Se nuove misurazioni indipendenti confermassero questo disaccordo tra le due misurazioni della costante di Hubble, si confermerebbe che c’è una crepa nell’armatura della nostra comprensione del cosmo“, ha affermato Patrick Kelly, autore principale di entrambi gli articoli e assistente professore all’Università della Scuola di Fisica e Astronomia del Minnesota.



La grande domanda è se ci sia un possibile problema con una o entrambe le misurazioni. La nostra ricerca lo affronta utilizzando un modo indipendente e completamente diverso per misurare il tasso di espansione dell’universo“.

Il team guidato dall’Università del Minnesota è stato in grado di calcolare questo valore utilizzando i dati di una supernova scoperta da Kelly nel 2014, il primo esempio in assoluto di una supernova con immagini multiple grazie al fenomeno previsto dalla teoria della relatività di Einstein chiamato lente gravitazionale, il che significa che il telescopio ha catturato quattro diverse immagini dello stesso evento cosmico. Dopo la scoperta, i team di tutto il mondo hanno previsto che la supernova sarebbe riapparsa in una nuova posizione nel 2015 e il team dell’Università del Minnesota ha puntualmente rilevato questa nuova immagine.

Il metodo utilizzato è quello chiamato time-delay cosmography (cosmografia con tempi di ritardo). Non si tratta di una tecnica nuova: il fenomeno fisico su cui si basa è quello noto delle lenti gravitazionali ed è già stato applicato ai quasar. Ma questa è la prima volta in cui è stato applicato applicato a un’altra sorgente variabile: una supernova.
La supernova in questione è conosciuta con il nome di Sn Refsdal. È stata osservata per la prima volta l’11 novembre 2014 a oltre nove miliardi di anni luce da noi da un team internazionale di astronomi guidato dallo stesso Kelly. Ed è stata la prima supernova ad essere stata scoperta attraverso l’effetto lente gravitazionale, un fenomeno che ha permesso di osservare l’evento a tempi diversi e in quattro posizioni diverse del cielo a causa della gravità di Macs J1149.6+2223, un gigantesco ammasso di galassie frapposto fra noi e la supernova.
Quello che è successo è che il campo gravitazionale dell’ammasso di galassie ha deviato parte della luce dell’esplosione diretta verso di noi, che, quindi, è arrivata sulla Terra attraverso percorsi e tempi diversi, producendo così quattro diverse immagini della stessa supernova. Utilizzando i ritardi temporali tra due “apparizioni” della supernova, quella del 2014 e quella del 2015, i ricercatori sono stati in grado di ottenere una stima del valore della costante di Hubble.
Il numero emerso dallo studio è 66.6 (+ 4.1/- 3.3) km/s/Mpc: un valore molto vicino a quello calcolato utilizzando il fondo cosmico a microonde. 

Queste immagini multiple sono apparse perché la supernova è stata inquadrata gravitazionalmente da un ammasso di galassie, un fenomeno in cui la massa dell’ammasso piega e ingrandisce la luce. Utilizzando i ritardi temporali tra le apparizioni delle immagini del 2014 e del 2015, i ricercatori sono stati in grado di misurare la costante di Hubble utilizzando una teoria sviluppata nel 1964 dall’astronomo norvegese Sjur Refsdal che in precedenza era stato impossibile da mettere in pratica.

I nuovi dati non risolvono assolutamente il dibattito, ha affermato Kelly, ma forniscono maggiori informazioni sul problema e avvicinano i fisici all’ottenimento della misurazione più accurata dell’età dell’universo.

La nostra misurazione favorisce il risultato restituito usando il fondo cosmico a microonde, sebbene non sia in forte disaccordo con il valore dato dal metodo delle candele standard“, ha detto Kelly. “Se le osservazioni di future supernove osservate con la lente gravitazionale produrranno un risultato simile, allora avremo certamente un problema con l’attuale valore restituito dalle candele standard“.

Usando gli stessi dati, i ricercatori hanno anche scoperto che alcuni modelli attuali della distribuzione della materia oscura degli ammassi di galassie erano in grado di spiegare le loro osservazioni delle supernove. Ciò ha permesso di determinare i modelli più accurati per le posizioni della materia oscura nell’ammasso di galassie, una domanda che affligge da tempo.

Fonte: Patrick Kelly et al, Vincoli sulla costante di Hubble dalla ricomparsa della Supernova Refsdal, Science (2023).

DOI:10.1126/science.abh1322

www.science.org/doi/10.1126/science.abh1322

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